Squelettes et leviers

Chaque animal qui marche, court, nage ou vole est une machine composée de trois types d'éléments : des os qui maintiennent sa forme, des articulations qui lui permettent de changer de direction et des muscles qui fournissent la force. Assemble-les et tu obtiens un ensemble de leviers. Une fois que tu sais considérer un membre comme un levier, la patte d'un guépard, la patte d'une taupe et ton propre bras commencent tous à devenir compréhensibles.

Les muscles ne peuvent que tirer. Un muscle raccourcit lorsqu'il est activé, et c'est tout ce qu'il peut faire. Il ne peut pas pousser. Pour faire bouger une articulation dans les deux directions, le corps utilise des paires antagonistes : deux muscles situés de part et d'autre d'une articulation. Dans ton bras, le biceps plie le coude et le triceps le redresse. Quand l'un tire, l'autre se détend.

Un muscle est attaché à un os par un tendon, un cordon solide composé de fibres. Lorsque le muscle se raccourcit, il tire sur le tendon, le tendon tire sur l'os et l'os tourne autour de l'articulation.

La règle du levier. Un effet de rotation est appelé un moment : la force multipliée par sa distance perpendiculaire par rapport à l’articulation. Un membre immobile a des moments égaux et opposés :

F_muscle × d_muscle = F_load × d_load

L’avantage mécanique est MA = d_muscle / d_load. La plupart des muscles s’attachent très près de l’articulation, donc d_muscle est petit et MA est inférieur à 1. Cela signifie que le muscle doit tirer plus fort que la charge qu’il soutient.

Exemple détaillé (simplifié). Tiens un sac de 2 kg dans ta main, l’avant-bras à l’horizontale. La charge est de 2 kg × 9,81 m/s² ≈ 19,6 N. Supposons que le biceps tire à 4 cm du coude et que le sac soit à 32 cm du coude. Alors F_muscle = 19.6 N × 0.32 m / 0.04 m ≈ 157 N. Le muscle tire environ huit fois le poids du sac. (Nous avons ignoré le poids de l’avant-bras lui-même, donc en réalité le muscle tire un peu plus.)

Ce que tu sacrifies et ce que tu gagnes. La même insertion courte qui fait perdre de la force permet de gagner en vitesse et en intervalle. Quand le biceps se raccourcit de 1 cm, la main se déplace de 8 cm. La main est huit fois plus éloignée du coude que le tendon, donc elle parcourt une distance huit fois plus grande, pendant le même temps, à une vitesse huit fois supérieure.

Les animaux doivent donc faire un compromis. Un membre avec un bras de levier musculaire court et un long bras de levier de charge est rapide, mais faible. Un membre avec un bras de levier musculaire long et un bras de levier de charge court est lent, mais fort. L’évolution ajuste ce rapport en fonction du rôle :

• Un coureur, comme un cheval ou une gazelle, a une longue partie inférieure de la jambe, légère. Le pied parcourt une grande distance à chaque petit raccourcissement musculaire : c’est la vitesse.
• Un animal fouisseur, comme une taupe ou un tatou, a un long levier pour le muscle (une longue projection osseuse au niveau du coude, où s’attache le gros triceps) et des os courts et robustes dans la patte. Il sacrifie de l’intervalle de mouvement pour gagner en force.

Même plan, fonctions différentes. Regarde à l'intérieur d'un bras humain, de l'aile d'une chauve-souris, de la nageoire d'une baleine et de la patte d'un cheval. Dans chacun de ces membres, tu trouves la même suite d'os : un os long dans le membre supérieur (l'humérus), deux dans le membre inférieur (le radius et l'ulna), de petits os du poignet, ainsi que les os de la main et des doigts. C'est le membre pentadactyle (« à cinq doigts »). Les détails sont différents : le cheval a un seul long doigt, la chauve-souris a de très longs doigts et les doigts de la baleine sont à l'intérieur d'une nageoire. Les biologistes appellent structures homologues les os qui ont la même origine, quelle que soit leur fonction. Ils constituent un élément de preuve que ces animaux descendent d'un ancêtre commun.

Attention à une idée qui lui ressemble. L'aile d'un oiseau et celle d'un insecte ont la même fonction, mais elles sont constituées de parties complètement différentes. Elles sont analogues, et non homologues.